[論文レビュー] Domain-Sharding for Faster HTTP/2 in Lossy Cellular Networks

Utkarsh Goel, Moritz Steiner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、複数のTCP接続を介して大容量および小容量オブジェクトのダウンロードを分離することで、損失の多いセルラー回線におけるHTTP/2のパフォーマンスを向上させるh2対応ドメインシャーディングを提案する。実際のTCPトレースとネットワークエミュレーションを用いて、単一接続のTCPのコンgestion制御が高パケット損失条件下で劣化する一方で、小容量オブジェクトを別々のh2接続にシャーディングすることでページロード時間が短縮され、単一接続h2および6接続HTTP/1.1を上回ることを示している。

ABSTRACT

HTTP/2 (h2) is a new standard for Web communications that already delivers a large share of Web traffic. Unlike HTTP/1, h2 uses only one underlying TCP connection. In a cellular network with high loss and sudden spikes in latency, which the TCP stack might interpret as loss, using a single TCP connection can negatively impact Web performance. In this paper, we perform an extensive analysis of real world cellular network traffic and design a testbed to emulate loss characteristics in cellular networks. We use the emulated cellular network to measure h2 performance in comparison to HTTP/1.1, for webpages synthesized from HTTP Archive repository data. Our results show that, in lossy conditions, h2 achieves faster page load times (PLTs) for webpages with small objects. For webpages with large objects, h2 degrades the PLT. We devise a new domain-sharding technique that isolates large and small object downloads on separate connections. Using sharding, we show that under lossy cellular conditions, h2 over multiple connections improves the PLT compared to h2 with one connection and HTTP/1.1 with six connections. Finally, we recommend content providers and content delivery networks to apply h2-aware domain-sharding on webpages currently served over h2 for improved mobile Web performance.

研究の動機と目的

• セルラー回線におけるパケット損失および高レイテンシーがHTTP/2およびHTTP/1.1のパフォーマンスに与える影響を調査すること。
• 主要な米国セルラー事業者のネットワーク内におけるAkamai CDNクラスタから収集した実世界のTCPトレースを分析し、損失のクラスタリングや繰り返し損失イベントといったネットワークの特徴を同定すること。
• 現実的なセルラー損失パターンを再現するための制御されたパフォーマンステストを可能にするネットワークエミュレータの設計と評価。
• 損失状態において、ドメインシャーディングがHTTP/2のトランスポート層のヘッド・オブ・ラインブロッキングを緩和できるかどうかを評価すること。
• モバイルクライアントを対象とするコンテンツプロバイダーおよびCDNに実用的な最適化としてh2対応ドメインシャーディングを提言すること。

提案手法

• 米国の主要なセルラー事業者のネットワーク内におけるAkamai CDNクラスタから50,000件のTCP接続を収集し、実世界の損失、RTT、帯域幅特性を分析した。
• 3つの主要なセルラー回線の特徴を同定した：32%の接続で損失が発生し、損失はクラスタリングされており、損失イベント中には最大40%のセグメントが破棄される。
• 損失バーストと可変RTTを含む動的セルラー状態をエミュレートするため、実際のTCPトレースを用いたネットワークエミュレータを構築した。
• HTTP Archiveから抽出したウェブページを、h2（単一接続）およびh1（6接続）の合成トラフィックを用いて再再生し、ページロード時間を比較した。
• 大容量および小容量オブジェクトを複数のh2接続に分離することで損失の影響を軽減するh2対応ドメインシャーディング技術を設計・評価した。
• シャーディングに伴う追加のドメイン解決のレイテンシコストを軽減するため、DNSプリリゾルブおよびTCPプリコンネクトヒントを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高パケット損失および可変RTTを示す損失の多いセルラー回線において、HTTP/2のパフォーマンスはHTTP/1.1と比べてどうなるか？
• RQ2 特にパケット損失および損失のクラスタリングに関して、実世界のセルラー回線におけるTCP接続の主な特徴は何か？
• RQ3 大容量および小容量オブジェクトのダウンロードを分離することで、ドメインシャーディングが損失の多い状態におけるHTTP/2のパフォーマンスを向上させられるか？
• RQ4 h2対応ドメインシャーディングは、単一接続HTTP/2および6接続HTTP/1.1の両方を上回るページロード時間性能を達成できるか？
• RQ5 モバイルHTTP/2デプロイメントにおけるドメインシャーディングの実用的意義とパフォーマンスのトレードオフは何か？

主な発見

• 損失の多いセルラー状態では、大容量オブジェクトを含むウェブページにおいて、単一TCP接続を用いた標準的なHTTP/2は、損失後にTCPのコンgestion windowが減少するためページロード時間（PLT）が劣化する。
• 小容量オブジェクトのみを含むウェブページでは、HTTP/2はアプリケーション層のヘッド・オブ・ラインブロッキングを回避するため、HTTP/1.1よりも速いPLTを達成する。
• 本稿で提案するh2対応ドメインシャーディング技術は、小容量オブジェクトを別々のh2接続に分離することで、パケット損失の影響を軽減し、単一接続HTTP/2よりもPLTを改善する。
• h2対応ドメインシャーディングは、損失状態において6接続HTTP/1.1を上回り、特に大容量および小容量オブジェクトが混在するウェブページで顕著な性能向上を示す。
• 大容量オブジェクトと小容量オブジェクトを分離することで、シャーディングのパフォーマンス向上が最も顕著になる。これは、大容量オブジェクトが損失に起因するコンgestion windowの半減により強く影響を受けるためである。
• DNSプリリゾルブおよびTCPプリコンネクトを用いることで、追加のドメイン解決に伴うレイテンシコストが軽減され、シャーディングがモバイル環境への実装に実用的であることが裏付けられた。